蒸发冷却是利用水与不饱和的空气接触, 在水表面饱和湿空气与不饱和空气之间的水蒸气压力差驱动下, 水蒸发吸热, 从而得到冷风和冷水的技术。利用蒸发冷却制冷相比于机械压缩式制冷具有节能、环保及卫生的优势。蒸发冷却技术主要有直接蒸发冷却 (DEC) 、间接蒸发冷却 (IEC) 及对间接蒸发冷却改进后提出的露点蒸发冷却。直接蒸发冷却为水与空气直接接触蒸发, 空气和水的温度都降低, 同时空气的含湿量增加。直接蒸发冷却应用历史悠久, 其蒸发冷却装置简单、易实现, 因此在干燥地区应用较广。但在高温高湿地区及需要干燥空气的场合, 直接蒸发冷却由于在对空气降温的同时对空气加湿, 应用受到较大的限制。间接蒸发冷却在直接蒸发冷却基础上增加了空气显热交换的通道, 称为干通道, 干通道中的风称为一次风;直接蒸发冷却通道称为湿通道, 湿通道中的风称为二次风, 也叫工作风。干湿通道用防水材料隔开。湿通道中水与空气直接接触蒸发, 吸收干通道中空气的热量, 干通道中的空气在温度降低的同时含湿量保持不变。理想情况下, 干通道送风温度最低可达到进风的湿球温度。间接蒸发冷却虽然能够保证在含湿量不变的条件下将送风处理到接近进风湿球温度的状态, 但很难实现大幅度降温, 在高温高湿地区很难处理到热舒适的温度范围内。

　　 露点蒸发冷却是经改进的一种特殊的间接蒸发冷却形式, 在间接蒸发冷却基础上改变了湿通道入口空气状态, 使得湿通道入口空气为经过冷却的部分干通道中的空气。在干通道中经过冷却的空气进入湿通道, 与水膜进行热湿交换。理想情况下, 若通道足够长, 干通道送风可无限接近进风的露点温度。露点蒸发冷却技术能够实现将进风干球温度降到湿球温度以下且接近露点温度, 而含湿量保持不变, 能够较好地满足热舒适性要求, 实现能源的有效、综合利用, 在空调、能源、化工及环保等诸多领域有广泛应用。

　　 目前, 数据机房的规模越来越大, 其高能耗问题受到越来越多的关注。其中, 由于数据机房全年需不间断冷却, 其制冷空调能耗占数据中心总能耗的30%～50% ^[1,2]。实现数据机房节能, 制冷系统节能很关键。露点蒸发冷却优越的冷却效果及节能性使其在数据机房制冷中的应用具有较大的发展潜力。

　　 早在20世纪70年代, Pescod ^[3]和Watt ^[4]分别提出了回热式间接蒸发冷却器的工作原理。Watt提出了Boester循环, 通过将一部分冷却塔出水引入到具有干工况表面的冷却盘管中来预冷进入冷却塔的空气, 以此降低进入冷却塔的空气的湿球温度, 最终降低冷却塔的出水温度 ^[4]。Pescod通过叉流板式换热器将经过间接蒸发冷却器冷却后的部分一次风引入湿通道进一步冷却, 从而获得温度更低的一次风 ^[3]。这些结构及理念是露点蒸发冷却器的原始设计依据, 也是露点蒸发冷却器结构进一步优化的基础。

　　 Maclaine-Cross等人对回热式蒸发冷却器湿表面的换热性能建立了线性数学模型, 并依据进出口空气的平均温度、湿度, 对整个湿表面的热湿交换过程进行了理论计算, 计算结果表明, 该蒸发冷却器可以使湿空气的温度降到湿球温度以下, 通过增加换热单元还可以使一次风的出口干球温度接近进口一次风的露点温度, 从理论上证明了露点蒸发冷却的合理性 ^[5]。

　　 Maisotsenko等人提出了M循环, 该循环利用空气中自然的清洁能源或干空气能来实现制冷目的, 可以在不使用压缩机和化学制冷剂的条件下, 把空气或水冷却到接近露点温度 ^[6]。这一理论为露点蒸发冷却提供了理论依据, 对露点蒸发冷却技术有指导意义。

　　 露点蒸发冷却器相对于传统间接蒸发冷却器降低了送风温度, 扩大了应用范围, 但由于其干通道中一次风需要有一部分进入湿通道作为二次风, 使得送风量减少, 制冷量减少, 因此目前露点蒸发冷却器都具有风量大、风机耗能高、体积大、占地面积大的缺点。同时, 露点蒸发冷却器送风温度及制冷量受室外环境温湿度影响较大, 运行性能不稳定, 目前仍主要用于高温干燥地区的体育馆、医院等公共场所。因此, 对露点蒸发冷却器的研究多集中在提高其制冷效率、制冷量、能效水平及拓展其应用上。

　　 蒸发冷却器湿通道表面润湿性影响着空气与水的热质交换面积, 从而影响蒸发冷却器的性能, 因此对湿通道表面进行亲水性处理、选择合适的润湿材料对蒸发冷却器的性能提高非常重要。露点蒸发冷却器作为一种特殊的蒸发冷却器, 其湿通道材料选择与直接蒸发冷却及间接蒸发冷却湿通道材料选择原则一致。多孔材料表面存在芯吸效应, 可以增强表面上的液体输运能力, 并且可以增大有效换热面积。对湿通道表面材料的研究主要包括吸湿性、水扩散性及蒸发能力。

　　 Higgins等人研究的露点蒸发冷却器分别采用混合纤维材料及聚乙烯作为冷却器吸湿层及防水层, 研究结果表明, 采用混合纤维作为吸湿材料使水膜在湿通道表面分布更加均匀, 同时由于纤维中存在的芯吸力, 破坏了水的表面张力, 因此可以提高热质传递效率 ^[7]。

　　 Zhao等人对应用到蒸发冷却器中的多孔陶瓷材料和金属泡沫材料进行了对比分析, 发现材料热物性对蒸发冷却系统性能影响较小, 而材料的形状、耐久性、防腐蚀性及与防水材料间的兼容性在材料选择中更加重要 ^[8]。

　　 Jiang等人比较了聚氯乙烯及铝箔作为填充材料时直接蒸发冷却器的传质系数、压降及成本, 研究结果表明, 铝箔作为填充材料时直接蒸发冷却器的传质系数是聚氯乙烯作为填充材料时的2倍 ^[9]。但是铝箔因为成本高、使用寿命短, 应用受到了限制。

　　 Bruno制作的露点蒸发冷却器采用一种特殊的材料, 具有很高的保水性及很强的芯吸力 ^[10], 但是并未对这种材料作进一步的介绍。

　　 毛秀明等人对采用多孔陶瓷作为湿通道材料时的质量和热量输运机制进行了研究与分析, 发现多孔陶瓷具有导热性好、防水性和耐用性好、孔隙率高、体密度小等特点, 使其能够保留水分并进行高效的热湿交换, 是理想的蒸发冷却材料 ^[11]。

　　 针织纤维相比于自然多孔材料具有耐用、易成型、易更换、不易滋生细菌等优势, 液体在针织纤维中运动时受到较大的毛细力作用, 因此具有很好的扩散性, 是一种适用于间接蒸发冷却湿通道表面的材料。但根据文献调研, 针织纤维材料在蒸发冷却中的研究目前还很少。

　　 Niyomvas等人对2种织物 (窗帘织物及棉纤维) 在蒸发冷却器中的冷却性能进行了实验研究, 发现采用窗帘织物作为湿通道吸湿材料时冷却器湿球效率为54.8%, 采用棉纤维作为湿通道吸湿材料时冷却器湿球效率为33.2% ^[12]。

　　 Xu等人针对应用到露点蒸发冷却湿通道中的6种针织纤维及牛皮纸进行了对比研究, 从芯吸高度、扩散能力 (扩散速率、扩散面积) 、蒸发能力几个方面进行了实验分析, 发现coolpass和coolmax材料不仅具有非常好的性能, 而且成本低, 适合应用在间接蒸发冷却装置中 ^[13]。

　　 换热器的结构决定了露点蒸发冷却系统的整体性能, 所以选择优化的几何结构可以提高系统的效率。

　　 Hsu等人研究了3种不同结构的蒸发冷却换热器, 结果显示送风温度很容易达到进风的湿球温度以下, 通过结构与参数优化可接近进风的露点温度 ^[14]。

　　 Lee等人对回热式蒸发冷却器结构进行了优化分析, 在效率相同的情况下, 对比了叉流平板式、叉流波纹板式及逆流肋片通道式3种回热式间接蒸发冷却器的性能。研究发现:叉流波纹板式换热器由于波纹带来的额外阻力影响大于其带来的传热强化效果, 因此其体积大于叉流平板式换热器;逆流肋片通道式换热器由于水力直径的减小及逆流的布置效果, 使得其性能优于叉流平板式换热器, 体积相比于叉流平板式换热器可减小1/8, 质量减小1/2 ^[15]。

　　 美国某公司对其制作的叉流露点蒸发冷却器进行了实验研究, 结果显示, 露点蒸发冷却器相比于传统的间接蒸发冷却器, 冷却效率提高了20% ^[16]。

　　 Zhan等人采用实验及数值模拟分析比较了同等体积及相同运行条件下, 叉流式及逆流式露点蒸发冷却器 (见图1, 2) 的性能, 结果表明:逆流式露点蒸发冷却器的制冷量比叉流式露点蒸发冷却器高约20%, 露点效率及湿球效率高15%～23%, 但叉流式露点蒸发冷却器的COP比逆流式露点蒸发冷却器高10% ^[17]。

　　 Riangvilaikul等人对其提出并制造的逆流式平板露点蒸发冷却器在不同进风温湿度下进行了性能测试, 发现湿球效率在92%～114%之间, 露点效率在58%～84%之间 ^[18,19]。

　　 Kabeel等人提出了一种干通道内置挡板的逆流式露点蒸发冷却器, 对影响露点蒸发冷却器性能的因素进行了实验研究, 并与模拟结果进行了对比 ^[20]。

　　 Lee等人提出了一种干湿通道内置肋片板的露点蒸发冷却器, 并对露点蒸发冷却器的性能进行了实验研究 ^[21]。

　　 Xu等人提出了一种高性能逆流式露点蒸发冷却器, 并在不同地区典型气象条件下对其制冷效率及能效进行了模拟测试 ^[22]。

　　 Pandelidis团队一直致力于露点蒸发冷却器的开发及优化, 提出了多种露点蒸发冷却器结构, 包括叉流、逆流的流动形式, 不同的通道结构, 一、二次风不同的分配方法, 并进行了实验及模拟研究 ^{[23,24,25,26,27,28,29,30]}。

　　 露点蒸发冷却器的运行参数, 如一二次风量比、空气流速、循环水流量等, 以及结构参数, 如板间距、通道长度、通道宽度等, 会影响露点蒸发冷却器的性能及制冷效率。因此国内外学者对结构及运行参数的优化进行了大量的实验及理论模拟。

　　 Kabeel等人实验研究了进口空气温湿度、一次风风速、二次风占一次风比例3个因素对干通道内置挡板的逆流式露点蒸发冷却器性能的影响, 并与模拟结果进行了对比。研究结果显示:随一次风风速提高, 冷却效率降低, 送风温度升高;随二次风占一次风比例增大, 送风温度降低, 冷却效率提高, 但模拟结果出现送风温度先降低后升高的趋势 ^[20]。

　　 Xu等人对其提出的高性能逆流式露点蒸发冷却器的性能参数进行了实验研究, 研究结果发现:对逆流式露点蒸发冷却器来说最佳二次风占一次风比例为0.364;在进风干球温度为37.8 ℃, 湿球温度为21.1 ℃时, COP高达52.5, 湿球效率为114%, 露点效率为75% ^[22]。

　　 Duan等人对进风温湿度、进风风速、二次风占一次风比例、循环水温对逆流式露点蒸发冷却器的影响进行了实验研究, 其中对循环水温的研究发现:制冷效率随水温的升高而下降, 但下降的程度逐渐变小;当水温从14.1 ℃提高到18.9 ℃时, 制冷效率下降11.8%;但是从18.9 ℃提高到23.1 ℃时, 制冷效率仅下降5% ^[31]。

　　 Zhan等人采用经实验验证的数学模型对他们提出的叉流式露点蒸发冷却器进行了数值研究, 模拟结果表明:空气流速越低, 进风相对湿度越低;二次风占一次风比例越高, 制冷效率越高;实际运行中, 为提高制冷效率, 一次风风速不大于1.77 m/s, 二次风风速不大于0.7 m/s, 二次风占一次风比例约为0.5 ^[32]。

　　 Cui等人提出了一种经过改进的逆流式露点蒸发冷却器并进行了数值模拟, 研究发现, 通过改变通道尺寸, 利用室内回风作为湿通道进风, 以及在通道内表面安装微肋片, 可以提高露点蒸发冷却器的制冷效率, 模拟结果显示, 湿球效率为122%～132%, 露点效率为81%～93% ^[33,34]。

　　 Riangvilaikul等人实验研究了一次风风速对露点蒸发冷却器送风温度及冷却效率的影响, 实验结果发现, 随一次风风速提高, 送风温度升高, 冷却效率降低 ^[19]。

　　 一些代表性学者对露点蒸发冷却器的研究结果对比如表1所示。

　　 目前数据机房制冷系统多采用恒温、恒湿的空调设备, 基于蒸气压缩式制冷循环, 空调全年运行, 整个系统全年能耗非常高。

　　 蒸发冷却技术的节能环保优势使其在数据机房中的推广及应用受到关注。直接蒸发冷却发展时间长, 技术成熟, 在数据机房中已得到广泛应用。其应用形式主要有2种:一是直接在数据机房设置蒸发式冷气机, 并且增加排风系统;二是在使用蒸发式冷气机的同时, 让一部分回风与冷气机处理后的空气混合, 可增加冬季数据机房的含湿量 ^[37]。

　　 间接蒸发冷却器由于送风可以在降温的同时保持含湿量不变, 因此其在数据机房中的应用较直接蒸发冷却更加有利, 但其送风降温极限受室外空气湿球温度限制。露点蒸发冷却器送风在含湿量不变的前提下, 温度可降至接近室外空气露点温度。

　　 何华明等人针对室外干燥但空气品质较差的地区, 设计了一种内循环式露点蒸发冷却空调机组应用于数据机房冷却 ^[38]。该内循环式露点蒸发冷却空调机组包括间接蒸发冷却芯体模块及露点蒸发冷却芯体模块。室外空气作为工作风, 先经露点蒸发冷却芯体进行热质交换, 温度降至接近露点温度, 然后送入间接蒸发冷却芯体与室内回风进行间接换热, 使回风在保持含湿量不变的情况下温度降低。经过研究人员测试, 该内循环式露点蒸发冷却空调机组的能效比可达26.48, 但当室外空气湿度大、湿球温度高于20 ℃时, 机组能效偏低, 运行不经济。该内循环式露点蒸发冷却空调机组增大了送风的降温极限, 较某公司开发的板管式间接蒸发冷却器具有更好的降温效果, 但仍受室外空气温湿度限制。

　　 因室外环境全年变化较大, 同时数据机房室内温湿度要求不变, 因此单一蒸发冷却形式很难满足数据机房全年冷却要求。露点蒸发冷却空调器降温潜力大, 其与不同冷却方式相结合, 可作为数据机房冷却的主要形式。

　　 折建利等人提出了几种交叉式露点蒸发冷却器利用的优化方案:一是交叉式露点与卧管式复合的间接蒸发冷却空调机组;二是交叉式露点与立管式复合的间接蒸发冷却空调机组;三是交叉式露点-直接膨胀式联合的蒸发冷却空调机组。3种方案均根据室外环境温湿度的变化选择不同的运行方式, 可满足全年不间断制冷的需要。并提出了交叉式露点蒸发冷却空调与精密空调联动的机房空调系统, 二者之间进行联动控制, 可以自动进行切换 ^[39]。

　　 Liu等人提出了2种应用于数据机房冷却的露点蒸发冷却器-热管复合冷却系统, 如图3所示, 复合系统根据室外温度采用不同的复合运行模式。并计算分析了2种复合系统在北京地区的全年运行能耗, 结果表明, 2种系统全年平均COP分别可达到33, 34, 相比压缩式制冷系统的节能率都高达89%, 体现了良好的节能性 ^[40]。

　　 本文对3种蒸发冷却技术原理与发展现状进行了分析, 重点综述了露点蒸发冷却器的发展及研究现状, 包括热质交换器结构、湿通道表面材料, 以及露点蒸发冷却器的结构及运行参数的优化研究。综述了露点蒸发冷却技术在数据机房冷却中的应用。

　　 从研究现状的回顾可见, 露点蒸发冷却器的COP可达30以上, 相比于传统压缩式制冷空调, 节能效果明显。但是由于露点蒸发冷却效果受室外环境温湿度影响较大, 且其送风温度相比压缩式制冷系统高, 送风量需求较大, 因此其应用受到了一定限制。要提高露点蒸发冷却技术的地区适用性, 需要在研究提高露点蒸发冷却器性能的同时, 研究露点蒸发冷却技术与其他技术相结合的形式, 比如除湿系统及机械制冷系统。数据机房因为恒温恒湿的环境要求, 对制冷系统有稳定的制冷需求, 且对送风温度没有过低的要求, 因此露点蒸发冷却器的节能优势可在数据机房冷却中得到体现。但其在数据机房冷却中的应用形式及控制形式, 与其他冷却方式的联合运行模式及优化, 需要进一步的研究。